資源簡介

第1講　能量量子化　光電效應
■目標要求
1.掌握黑體輻射的定義及其實驗規律,理解能量量子化的意義。2.理解光電效應現象及光電效應的實驗規律,會利用光電效應方程計算逸出功、截止頻率、最大初動能等物理量。3.會分析光電效應常見的三類圖像。
考點1　黑體及黑體輻射
　　　　　 　　　　　　　　　　
必|備|知|識
1.熱輻射。
(1)定義:周圍的一切物體都在輻射電磁波,這種輻射與物體的　　　　有關,所以叫熱輻射。
(2)特點:熱輻射強度按波長的分布情況隨物體溫度的不同而有所不同。
2.黑體、黑體輻射的實驗規律。
(1)黑體:能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發生　　　　的物體。
(2)黑體輻射的實驗規律。
①對于一般材料的物體,輻射電磁波的情況除與溫度有關外,還與材料的種類及表面狀況有關。
②黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的　　　　有關。隨著溫度的升高,一方面,各種波長的輻射強度都有增加;另一方面,輻射強度的極大值向波長較短的方向移動,如圖所示。
3.能量子。
(1)定義:普朗克認為,當帶電微粒輻射或吸收能量時,只能輻射或吸收某個最小能量值ε的　　　　　,這個不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
(2)能量子大小:ε=　　　　,其中ν是帶電微粒吸收或輻射電磁波的頻率,h稱為普朗克常量。h=6.626×10-34 J·s(一般取h=6.63×10-34 J·s)。
(1)黑體一定是黑色的()
(2)隨著溫度的升高,黑體輻射電磁波強度的極大值向頻率較大的方向移動()
關|鍵|能|力
　　　　　 　　　　　　　　　　
【典例1】　在能量量子化研究的歷程中,下列說法正確的是(　　)
A.物質發射(或吸收)能量時,能量不是連續的,而是一份一份進行的
B.黑體既不反射電磁波,也不向外輻射電磁波
C.能量子假說中的能量子的能量ε=hν,ν為帶電微粒的運動速率,h為普朗克常量
D.一切物體都在輻射電磁波,這種輻射與物體的溫度無關
【典例2】　(多選)(2023·海南卷)已知一個激光發射器功率為P,發射波長為λ的光,光速為c,普朗克常量為h,則(　　)
A.光的頻率為
B.光子的能量為
C.光子的動量為
D.在時間t內激光器發射的光子數為
考點2　光電效應的規律
　　　　　 　　　　　　　　　　
必|備|知|識
1.光電效應及其規律。
(1)光電效應現象。
照射到金屬表面的光,能使金屬中的　　　　從表面逸出,這個現象稱為光電效應,這種電子稱為光電子。
(2)光電效應規律。
①每種金屬都有一個截止頻率νc,入射光的頻率必須大于或等于這個　　　　　　才能產生光電效應。
②光電子的最大初動能與入射光的強度無關,只隨入射光頻率的增大而　　　　。
③光電效應的發生幾乎是瞬時的,一般不超過10-9 s。
④當入射光的頻率大于或等于截止頻率時,在光的顏色不變的情況下,入射光越強,飽和光電流越大,逸出的光電子數越多,逸出光電子的數目與入射光的強度成正比,飽和光電流的大小與入射光的強度成　　　　。
2.愛因斯坦光電效應方程。
(1)光電效應方程。
①表達式:Ek=　　　　。
②物理意義:金屬表面的電子吸收一個光子獲得的能量是hν,這些能量的一部分用來克服金屬的逸出功W0,剩下的表現為逸出后電子的　　　　　　　　。
(2)逸出功W0:電子從金屬中逸出所需做功的最小值,W0=hνc=h。
(3)最大初動能:發生光電效應時,金屬表面上的電子吸收光子后克服原子核的引力逸出時所具有的動能的最大值。
(1)光子和光電子都不是實物粒子()
(2)只要入射光的強度足夠大,照射時間足夠長,就可以使金屬發生光電效應()
(3)光電子的最大初動能與入射光子的頻率成正比 ()
關|鍵|能|力
　　　　　 　　　　　　　　　　
1.與光電效應有關的五組概念對比。
(1)光子與光電子:光子指光在空間傳播時的每一份能量,光子不帶電;光電子是金屬表面受到光照射時發射出來的電子,其本質是電子。光子是光電效應的因,光電子是光電效應的果。
(2)光電子的初動能與光電子的最大初動能:光照射到金屬表面時,電子吸收光子的全部能量,可能向各個方向運動,需克服原子核和其他原子的阻礙而損失一部分能量,剩余部分為光電子的初動能;只有金屬表面的電子直接向外飛出,只需克服原子核的引力做功的情況,光電子才具有最大初動能。光電子的初動能小于或等于光電子的最大初動能。
(3)光電流與飽和光電流:金屬板飛出的光電子到達陽極,回路中便產生光電流,隨著所加正向電壓的增大,光電流趨于一個飽和值,這個飽和值是飽和光電流,在一定的光照條件下,飽和光電流與所加電壓大小無關。
(4)入射光的強度與光子的能量:入射光的強度指單位時間內照射到金屬表面單位面積上的總能量,即I=nhν,n是單位時間照射到單位面積上的光子數。
(5)光的強度與飽和光電流:飽和光電流與入射光的強度成正比的規律是對頻率相同的光照射金屬產生光電效應而言的,對于不同頻率的光,由于每個光子的能量不同,飽和光電流與入射光的強度之間沒有簡單的正比關系。
2.四點提醒。
(1)能否發生光電效應,不取決于光的強度而取決于光的頻率。
(2)光電效應中的“光”不是特指可見光,也包括不可見光。
(3)逸出功的大小由金屬本身決定,與入射光無關。
(4)光電子不是光子,而是電子。
3.三個關系式。
(1)愛因斯坦光電效應方程:Ek=hν-W0。
(2)最大初動能與遏止電壓的關系:Ek=eUc。
(3)逸出功與截止頻率的關系W0=hνc。
4.兩條對應關系。
(1)光強大(頻率一定時)→光子數目多→發射光電子多→飽和光電流大。
(2)光子頻率高→光子能量大→光電子的最大初動能大。
【典例3】　(多選)(2024·黑吉遼卷)X射線光電子能譜儀是利用X光照射材料表面激發出光電子,并對光電子進行分析的科研儀器,用某一頻率的X光照射某種金屬表面,逸出了光電子,若增加此X光的強度,則(　　)
A.該金屬的逸出功增大
B.X光的光子能量不變
C.逸出的光電子最大初動能增大
D.單位時間逸出的光電子增多
【典例4】　
(2024·海南卷)利用如圖所示的裝置研究光電效應,閉合單刀雙擲開關S接1,用頻率為ν1的光照射光電管,調節滑動變阻器,使電流表的示數剛好為0,此時電壓表的示數為U1,已知電子電荷量為e,普朗克常量為h,下列說法正確的是(　　)
A.其他條件不變,增大光強,電壓表示數增大
B.改用比ν1更大頻率的光照射,調整電流表的示數為零,此時電壓表示數仍為U1
C.其他條件不變,使開關S接2,電流表示數仍為零
D.光電管陰極材料的截止頻率νc=ν1-
考點3　光電效應的圖像
關|鍵|能|力
考向1　最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系圖像(Ek-ν圖像)
(1)對應關系:Ek=hν-W0。
(2)截止頻率(極限頻率):橫軸截距。
(3)逸出功:縱軸截距的絕對值W0=|-E|=E。
(4)普朗克常量:圖線的斜率k=h。
【典例5】　用如圖甲所示的裝置研究光電效應現象。閉合開關S,用頻率為ν的光照射光電管時發生了光電效應。圖乙是該光電管發生光電效應時光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系圖像,圖線與橫軸的交點坐標為(a,0),與縱軸的交點坐標為(0,-b),下列說法正確的是(　　)
甲 乙
A.普朗克常量為h=
B.斷開開關S后,電流表G的示數不為零
C.僅增加照射光的強度,光電子的最大初動能將增大
D.保持照射光強度不變,僅提高照射光頻率,電流表G的示數保持不變
考向2　遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關系圖像(Uc-ν圖像)
(1)對應關系:Uc=ν-。
(2)截止頻率νc:橫軸截距。
(3)遏止電壓Uc:隨入射光頻率的增大而增大。
(4)普朗克常量h:等于圖線的斜率與電子電荷量的乘積,即h=ke。
【典例6】　(2022·河北卷)如圖是密立根于1916年發表的鈉金屬光電效應的遏止電壓Uc與入射光頻率ν的實驗曲線,該實驗直接證明了愛因斯坦光電效應方程,并且第一次利用光電效應實驗測定了普朗克常量h。由圖像可知(　　)
A.鈉的逸出功為hνc
B.鈉的截止頻率為8.5×1014 Hz
C.圖中直線的斜率為普朗克常量h
D.遏止電壓Uc與入射光頻率ν成正比
考向3　光電流與電壓的關系圖像(I-U圖像)
1.顏色相同、強度不同的光。
(1)遏止電壓Uc:橫軸截距。
(2)飽和光電流Im:光強越強,飽和光電流越大。
(3)最大初動能:Ek=eUc。
2.強度相同、顏色不同的光(以黃光和藍光為例)。
(1)遏止電壓|Uc1|>|Uc2|,理由:ν藍>ν黃。
(2)飽和光電流I黃>I藍,理由:光強=光子個數×單個光子能量。
(3)最大初動能Ek1>Ek2,理由:Ek=eUc。
【典例7】　在光電效應實驗中,某同學用同一光電管在不同實驗條件下得到了三條光電流與電壓之間的關系曲線(甲光、乙光、丙光),如圖所示。則下列說法正確的是(　　)
A.甲光的頻率大于乙光的頻率
B.乙光的波長大于丙光的波長
C.乙光對應的截止頻率大于丙光對應的截止頻率
D.甲光對應的光電子最大初動能大于丙光對應的光電子最大初動能
第1講　能量量子化　光電效應
考點1
必備知識 　
1.(1)溫度　2.(1)反射　(2)②溫度　3.(1)整數倍　(2)hν
微點辨析　(1)×　(2)√
關鍵能力 　
【典例1】　A　解析　普朗克在研究物體熱輻射的規律時發現,電磁波的發射和吸收不是連續的,而是一份一份地進行的,每一份能量叫作一個能量子,能量子的能量ε=hν,ν為帶電微粒的振動頻率,h為普朗克常量,A項正確,C項錯誤;黑體不反射電磁波,但會向外輻射電磁波,即黑體輻射,B項錯誤;一切物體都在輻射電磁波,這種輻射與物體的溫度有關,D項錯誤。
【典例2】　AC　解析　由波的知識可知λ=cT=,則光的頻率為ν=,A項正確;由光子說可知,光子能量ε=hν=h,光子動量p=,B項錯誤,C項正確;時間t內發射的光子的總能量為Pt,即n·h=Pt,則n=,D項錯誤。
考點2
必備知識 　
1.(1)電子　(2)①截止頻率　②增大　④正比
2.(1)①hν-W0　②最大初動能
微點辨析　(1)×　(2)×　(3)×
關鍵能力 　
【典例3】　BD　解析　金屬的逸出功由金屬本身決定,與入射光無關,逸出功不變,A項錯誤;由光電效應的規律可知,X光的頻率不變,光子能量不變,B項正確;由光電效應方程知逸出光電子的最大初動能不變,C項錯誤;X光的強度增大,則單位時間內照射到金屬表面的光子數目增多,單位時間內逸出的光電子數目也增多,D項正確。
【典例4】　D　解析　當開關S接1時,由愛因斯坦光電效應方程eU1=hν1-W0,故其他條件不變時,增大光強,電壓表的示數不變,A項錯誤;若改用比ν1更大頻率的光照射時,調整電流表的示數為零,而金屬的逸出功不變,故遏止電壓變大,即此時電壓表示數大于U1,B項錯誤;其他條件不變時,hν1>W0,可發生光電效應,使開關S接2時,光電管兩端加正向電壓,故電流表示數不為零,C項錯誤;根據愛因斯坦光電效應方程Ek=hν1-W0,Ek=eU1,其中W0=hνc,聯立解得,光電管陰極材料的截止頻率為νc=ν1-,D項正確。
考點3
關鍵能力 　
【典例5】　B　解析　由Ek=hν-W0,可知圖線的斜率為普朗克常量,即h=,A項錯誤;斷開開關S后,仍有光電子產生,所以電流表G的示數不為零,B項正確;只有增大入射光的頻率,才能增大光電子的最大初動能,與光的強度無關,C項錯誤;保持照射光強度不變,僅提高照射光頻率,單個光子的能量增大,而光的強度不變,那么光子數一定減少,產生的光電子數也減少,電流表G的示數要減小,D項錯誤。
【典例6】　A　解析　根據遏止電壓與最大初動能的關系有eUc=Ek,根據光電效應方程有Ek=hν-W0,結合題圖可知,當Uc為0時,解得W0=hνc,A項正確;鈉的截止頻率為νc,根據題圖可知,截止頻率大約為5.5×1014 Hz,B項錯誤;結合遏止電壓與光電效應方程可解得Uc=ν-可知,題圖中直線的斜率表示,C項錯誤;由上式可知遏止電壓Uc與入射光頻率ν呈線性關系,不是成正比,D項錯誤。
【典例7】　B　解析　由題圖知,甲、乙光對應的遏止電壓相等,由eUc=Ek和hν=W0+Ek得甲、乙光頻率相等,A項錯誤;丙光的遏止電壓大于乙光的遏止電壓,則丙光的頻率大于乙光的頻率,丙光的波長小于乙光的波長,B項正確;同一金屬截止頻率相同,C項錯誤;由光電效應方程知,甲光對應的光電子最大初動能小于丙光對應的光電子最大初動能,D項錯誤。(共42張PPT)
第1講
能量量子化　光電效應
第十六章　原子結構　波粒二象性　原子核
目
標
要
求
1.掌握黑體輻射的定義及其實驗規律，理解能量量子化的意義。2.理解光電效應現象及光電效應的實驗規律，會利用光電效應方程計算逸出功、截止頻率、最大初動能等物理量。3.會分析光電效應常見的三類圖像。
考點1　黑體及黑體輻射
考點2　光電效應的規律
內容
索引
考點3　光電效應的圖像
黑體及黑體輻射
考點1
必|備|知|識
1.熱輻射。
(1)定義：周圍的一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體的
有關，所以叫熱輻射。
(2)特點：熱輻射強度按波長的分布情況隨物體溫度的不同而有所不同。
溫度
2.黑體、黑體輻射的實驗規律。
(1)黑體：能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發生 的物體。
(2)黑體輻射的實驗規律。
①對于一般材料的物體，輻射電磁波的情況除與溫度有關外，還與材料的種類及表面狀況有關。
反射
②黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的 有關。隨著溫度的升高，一方面，各種波長的輻射強度都有增加；另一方面，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，如圖所示。
溫度
3.能量子。
(1)定義：普朗克認為，當帶電微粒輻射或吸收能量時，只能輻射或吸收某個最小能量值ε的 ，這個不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
(2)能量子大小：ε= ，其中ν是帶電微粒吸收或輻射電磁波的頻率，h稱為普朗克常量。h=6.626×10-34 J·s(一般取h=6.63×10-34 J·s)。
整數倍
hν
(1)黑體一定是黑色的( )
(2)隨著溫度的升高，黑體輻射電磁波強度的極大值向頻率較大的方向移動( )
關|鍵|能|力
【典例1】　在能量量子化研究的歷程中，下列說法正確的是( )
A.物質發射(或吸收)能量時，能量不是連續的，而是一份一份進行的
B.黑體既不反射電磁波，也不向外輻射電磁波
C.能量子假說中的能量子的能量ε=hν，ν為帶電微粒的運動速率，h為普朗克常量
D.一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度無關
普朗克在研究物體熱輻射的規律時發現，電磁波的發射和吸收不是連續的，而是一份一份地進行的，每一份能量叫作一個能量子，能量子的能量ε=hν，ν為帶電微粒的振動頻率，h為普朗克常量，A項正確，C項錯誤；黑體不反射電磁波，但會向外輻射電磁波，即黑體輻射，B項錯誤；一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關，D項錯誤。
解析
【典例2】　(多選)(2023·海南卷)已知一個激光發射器功率為P，發射波長為λ的光，光速為c，普朗克常量為h，則( )
A.光的頻率為
B.光子的能量為
C.光子的動量為
D.在時間t內激光器發射的光子數為
由波的知識可知λ=cT=，則光的頻率為ν=，A項正確；由光子說可知，光子能量ε=hν=h，光子動量p=，B項錯誤，C項正確；時間t內發射的光子的總能量為Pt，即n·h=Pt，則n=，D項錯誤。
解析
光電效應的規律
考點2
必|備|知|識
1.光電效應及其規律。
(1)光電效應現象。
照射到金屬表面的光，能使金屬中的 從表面逸出，這個現象稱為光電效應，這種電子稱為光電子。
(2)光電效應規律。
①每種金屬都有一個截止頻率νc，入射光的頻率必須大于或等于這個
才能產生光電效應。
電子
截止頻率
②光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨入射光頻率的增大而 。
③光電效應的發生幾乎是瞬時的，一般不超過10-9 s。
④當入射光的頻率大于或等于截止頻率時，在光的顏色不變的情況下，入射光越強，飽和光電流越大，逸出的光電子數越多，逸出光電子的數目與入射光的強度成正比，飽和光電流的大小與入射光的強度成 。
增大
正比
2.愛因斯坦光電效應方程。
(1)光電效應方程。
①表達式：Ek= 。
②物理意義：金屬表面的電子吸收一個光子獲得的能量是hν，這些能量的一部分用來克服金屬的逸出功W0，剩下的表現為逸出后電子的 。
hν-W0
最大初動能
(2)逸出功W0：電子從金屬中逸出所需做功的最小值，W0=hνc=h。
(3)最大初動能：發生光電效應時，金屬表面上的電子吸收光子后克服原子核的引力逸出時所具有的動能的最大值。
(1)光子和光電子都不是實物粒子( )
(2)只要入射光的強度足夠大，照射時間足夠長，就可以使金屬發生光電效應( )
(3)光電子的最大初動能與入射光子的頻率成正比 ( )
關|鍵|能|力
1.與光電效應有關的五組概念對比。
(1)光子與光電子：光子指光在空間傳播時的每一份能量，光子不帶電；光電子是金屬表面受到光照射時發射出來的電子，其本質是電子。光子是光電效應的因，光電子是光電效應的果。
(2)光電子的初動能與光電子的最大初動能：光照射到金屬表面時，電子吸收光子的全部能量，可能向各個方向運動，需克服原子核和其他原子的阻礙而損失一部分能量，剩余部分為光電子的初動能；只有金屬表面的電子直接向外飛出，只需克服原子核的引力做功的情況，光電子才具有最大初動能。光電子的初動能小于或等于光電子的最大初動能。
(3)光電流與飽和光電流：金屬板飛出的光電子到達陽極，回路中便產生光電流，隨著所加正向電壓的增大，光電流趨于一個飽和值，這個飽和值是飽和光電流，在一定的光照條件下，飽和光電流與所加電壓大小無關。
(4)入射光的強度與光子的能量：入射光的強度指單位時間內照射到金屬表面單位面積上的總能量，即I=nhν，n是單位時間照射到單位面積上的光子數。
(5)光的強度與飽和光電流：飽和光電流與入射光的強度成正比的規律是對頻率相同的光照射金屬產生光電效應而言的，對于不同頻率的光，由于每個光子的能量不同，飽和光電流與入射光的強度之間沒有簡單的正比關系。
2.四點提醒。
(1)能否發生光電效應，不取決于光的強度而取決于光的頻率。
(2)光電效應中的“光”不是特指可見光，也包括不可見光。
(3)逸出功的大小由金屬本身決定，與入射光無關。
(4)光電子不是光子，而是電子。
3.三個關系式。
(1)愛因斯坦光電效應方程：Ek=hν-W0。
(2)最大初動能與遏止電壓的關系：Ek=eUc。
(3)逸出功與截止頻率的關系W0=hνc。
4.兩條對應關系。
(1)光強大(頻率一定時)→光子數目多→發射光電子多→飽和光電流大。
(2)光子頻率高→光子能量大→光電子的最大初動能大。
【典例3】　(多選)(2024·黑吉遼卷)X射線光電子能譜儀是利用X光照射材料表面激發出光電子，并對光電子進行分析的科研儀器，用某一頻率的X光照射某種金屬表面，逸出了光電子，若增加此X光的強度，則( )
A.該金屬的逸出功增大
B.X光的光子能量不變
C.逸出的光電子最大初動能增大
D.單位時間逸出的光電子增多
金屬的逸出功由金屬本身決定，與入射光無關，逸出功不變，A項錯誤；由光電效應的規律可知，X光的頻率不變，光子能量不變，B項正確；由光電效應方程知逸出光電子的最大初動能不變，C項錯誤；X光的強度增大，則單位時間內照射到金屬表面的光子數目增多，單位時間內逸出的光電子數目也增多，D項正確。
解析
【典例4】　(2024·海南卷)利用如圖所示的裝置研究光電效應，閉合單刀雙擲開關S接1，用頻率為ν1的光照射光電管，調節滑動變阻器，使電流表的示數剛好為0，此時電壓表的示數為U1，已知電子電荷量為e，普朗克常量為h，下列說法正確的是( )
A.其他條件不變，增大光強，電壓表示數增大
B.改用比ν1更大頻率的光照射，調整電流表的示數為零，此時電壓表示數仍為U1
C.其他條件不變，使開關S接2，電流表示數仍為零
D.光電管陰極材料的截止頻率νc=ν1-
當開關S接1時，由愛因斯坦光電效應方程eU1=hν1-W0，故其他條件不變時，增大光強，電壓表的示數不變，A項錯誤；若改用比ν1更大頻率的光照射時，調整電流表的示數為零，而金屬的逸出功不變，故遏止電壓變大，即此時電壓表示數大于U1，B項錯誤；其他條件不變時，hν1>W0，可發生光電效應，使開關S接2時，光電管兩端加正向電壓，故電流表示數不為零，C項錯誤；根據愛因斯坦光電效應方程Ek=hν1-W0，Ek=eU1，其中W0=hνc，聯立解得,光電管陰極材料的截止頻率為νc=ν1-，D項正確。
解析
光電效應的圖像
考點3
考向1
最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系圖像(Ek-ν圖像)
(1)對應關系：Ek=hν-W0。
(2)截止頻率(極限頻率)：橫軸截距。
(3)逸出功：縱軸截距的絕對值W0=|-E|=E。
(4)普朗克常量：圖線的斜率k=h。
關|鍵|能|力
【典例5】　用如圖甲所示的裝置研究光電效應現象。閉合開關S，用頻率為ν的光照射光電管時發生了光電效應。圖乙是該光電管發生光電效應時光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系圖像，圖線與橫軸的交點坐標為(a，0)，與縱軸的交點坐標為(0，-b)，下列說法正確的是( )
A.普朗克常量為h=
B.斷開開關S后，電流表G的示數不為零
C.僅增加照射光的強度，光電子的最大初動能將增大
D.保持照射光強度不變，僅提高照射光頻率，電流表G的示數保持不變
由Ek=hν-W0，可知圖線的斜率為普朗克常量，即h=，A項錯誤；斷開開關S后，仍有光電子產生，所以電流表G的示數不為零，B項正確；只有增大入射光的頻率，才能增大光電子的最大初動能,與光的強度無關，C項錯誤；保持照射光強度不變，僅提高照射光頻率，單個光子的能量增大，而光的強度不變，那么光子數一定減少，產生的光電子數也減少，電流表G的示數要減小，D項錯誤。
解析
考向2
遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關系圖像(Uc-ν圖像)
(1)對應關系：Uc=ν-。
(2)截止頻率νc：橫軸截距。
(3)遏止電壓Uc：隨入射光頻率的增大而增大。
(4)普朗克常量h：等于圖線的斜率與電子電荷量的乘積，即h=ke。
【典例6】　(2022·河北卷)如圖是密立根于1916年發表的鈉金屬光電效應的遏止電壓Uc與入射光頻率ν的實驗曲線，該實驗直接證明了愛因斯坦光電效應方程，并且第一次利用光電效應實驗測定了普朗克常量h。由圖像可知( )
A.鈉的逸出功為hνc
B.鈉的截止頻率為8.5×1014 Hz
C.圖中直線的斜率為普朗克常量h
D.遏止電壓Uc與入射光頻率ν成正比
根據遏止電壓與最大初動能的關系有eUc=Ek，根據光電效應方程有Ek=hν-W0，結合題圖可知，當Uc為0時，解得W0=hνc，A項正確;鈉的截止頻率為νc，根據題圖可知，截止頻率大約為5.5×1014 Hz,
B項錯誤；結合遏止電壓與光電效應方程可解得Uc=ν-可知，題圖中直線的斜率表示，C項錯誤；由上式可知遏止電壓Uc與入射光頻率ν呈線性關系，不是成正比，D項錯誤。
解析
考向3
光電流與電壓的關系圖像(I-U圖像)
1.顏色相同、強度不同的光。
(1)遏止電壓Uc：橫軸截距。
(2)飽和光電流Im：光強越強，飽和光電流越大。
(3)最大初動能：Ek=eUc。
2.強度相同、顏色不同的光(以黃光和藍光為例)。
(1)遏止電壓|Uc1|>|Uc2|，理由：ν藍>ν黃。
(2)飽和光電流I黃>I藍，理由：光強=光子個數×單個光子能量。
(3)最大初動能Ek1>Ek2，理由：Ek=eUc。
【典例7】　在光電效應實驗中，某同學用同一光電管在不同實驗條件下得到了三條光電流與電壓之間的關系曲線(甲光、乙光、丙光)，如圖所示。則下列說法正確的是( )
A.甲光的頻率大于乙光的頻率
B.乙光的波長大于丙光的波長
C.乙光對應的截止頻率大于丙光對應的截止頻率
D.甲光對應的光電子最大初動能大于丙光對應的光電子最大初動能
由題圖知，甲、乙光對應的遏止電壓相等，由eUc=Ek和hν=W0+Ek得甲、乙光頻率相等，A項錯誤；丙光的遏止電壓大于乙光的遏止電壓，則丙光的頻率大于乙光的頻率，丙光的波長小于乙光的波長，B項正確；同一金屬截止頻率相同，C項錯誤；由光電效應方程知，甲光對應的光電子最大初動能小于丙光對應的光電子最大初動能，D項錯誤。
解析微練54　能量量子化　光電效應
　梯級Ⅰ基礎練
1.關于“能量量子化”，下列說法錯誤的是(　　)
A.認為帶電微粒輻射或吸收能量時，是一份一份的
B.認為能量值是連續的
C.認為微觀粒子的能量是量子化的
D.認為微觀粒子的能量是分立的
2.(2025·河南模擬)觀察光電效應現象的演示實驗裝置如圖所示，把一塊鋅板連接在驗電器上，并使鋅板帶上一定量的負電，驗電器指針會張開角度θ。現用高頻短波紫外線燈持續照射鋅板一定時間，可能觀察到驗電器指針張開的角度θ的變化是(　　)
A.會一直變大
B.先變大后變小
C.先變小后變大
D.忽大忽小不斷變化
3.(2025·徐州模擬)如圖所示是黑體的輻射強度與其輻射波長的關系圖像，下列說法正確的是(　　)
A.溫度越高，黑體輻射的電磁波的波長越大
B.溫度越高，輻射強度的極大值向波長較長的方向移動
C.黑體的輻射強度按波長的分布與材料的表面狀況有關
D.普朗克通過對黑體輻射的研究，提出了能量子的概念
4.已知元電荷e=1.6×10-19 C，普朗克常量h=6.6×10-34 J·s，用單色光照射逸出功為W=2.2 eV的某金屬時，逸出光電子的最大初動能為1.1 eV，則單色光的頻率ν與金屬的截止頻率ν0的比值為(　　)
A.= B.=
C.= D.=
5.(2025·周口模擬)目前的高端光刻機主要分為EUV光刻機和DUV光刻機。DUV(波長193 nm)是深紫外線，EUV(波長13.5 nm)是極深紫外線。沉浸式光刻機在透鏡組和硅片之間充有液體，已知光在真空中傳播速度大于在介質中傳播速度。關于光刻機物理量的比較，下列說法正確的是(　　)
A.真空中DUV光源光子頻率比EUV光源光子頻率大
B.DUV光源光子能量比EUV光源光子能量大
C.沉浸式光刻機光在液體中波長比在真空中短
D.沉浸式光刻機光在液體中頻率比在真空中大
6.(2025·長沙模擬)如圖所示為研究光電效應的電路圖。開關閉合后，當用波長為λ0的單色光照射光電管的陰極K時，電流表有示數。下列說法正確的是(　　)
A.若只讓滑片P向D端移動，則電流表的示數一定增大
B.若只增加該單色光的強度，則電流表示數一定增大
C.若改用波長小于λ0的單色光照射光電管的陰極K，則陰極K的逸出功變大
D.若改用波長大于λ0的單色光照射光電管的陰極K，則電流表的示數一定為零
7.(2025·西安模擬)一盞燈發光功率為100 W，假設它發出的光向四周均勻輻射，光的平均波長6.0×10-7 m，在距電燈10 m遠處，以電燈為球心的球面上，1 m2的面積每秒通過的光子(能量子)數約為(普朗克常量h=6.63×10-34 J·s，光速c=3.0×108 m/s)(　　)
A.2×1015個 B.2×1016個
C.2×1017個 D.2×1023個
8.(2025·安順模擬)愛因斯坦提出了光子概念并成功地解釋了光電效應的規律而獲得1921年的諾貝爾物理學獎。某種金屬逸出光電子的最大初動能Ekm與入射光頻率ν的關系如圖所示，金屬材料的極限頻率和逸出功分別為(　　)
A.，b　　B.a，b C.a，　　D.
梯級Ⅱ能力練
9.(2025·濟南模擬)圖甲所示裝置用以測量發生光電效應時的遏止電壓。用同一入射光依次照射不同金屬材料的K極，發生光電效應時分別測得對應的遏止電壓，圖乙為所測遏止電壓Uc與金屬材料逸出功W的關系。已知普朗克常量為h，則入射光的頻率為(　　)
A.　　　B. C.　　　D.
10.地鐵靠站時列車車體和屏蔽門之間安裝有光電傳感器。如圖甲所示，若光線被乘客阻擋，電流發生變化，工作電路立即報警。如圖乙所示，光線發射器內大量處于n=3激發態的氫原子向低能級躍遷時，輻射出的光中只有a、b兩種可以使該光電管陰極逸出光電子，如圖丙所示為a、b光單獨照射光電管時產生的光電流I與光電管兩端電壓U的關系圖線。測得飛出陰極的光電子最大初動能為9.54 eV，可見光能量范圍為1.64~3.19 eV。下列說法正確的是(　　)
A.光線發射器中發出的光有1種為可見光
B.光電管陰極材料的逸出功為0.66 eV
C.題述a光為氫原子從n=3能級躍遷到n=2能級時發出的光
D.若部分光線被遮擋，光電子飛出陰極時的最大初動能變小
11.(2024·浙江卷)如圖所示，金屬極板M受到紫外線照射會逸出光電子，最大速率為vm。正對M放置一金屬網N，在M、N之間加恒定電壓U。已知M、N間距為d(遠小于板長)，電子的質量為m，電荷量為e，則(　　)
A.M、N間距離增大時電子到達N的動能也增大
B.只有沿x方向逸出的電子到達N時才有最大動能m+eU
C.電子從M到N過程中y方向位移大小最大為vmd
D.M、N間加反向電壓時電流表示數恰好為零
梯級Ⅲ創新練
12.(多選)(2025·舟山模擬)如圖甲所示是一款光電煙霧探測器的原理圖。當有煙霧進入時，來自光源S的光被煙霧散射后進入光電管C，光射到光電管中的鈉表面時會產生光電流。如果產生的光電流大于10-8 A，便會觸發報警系統。金屬鈉的遏止電壓Uc隨入射光頻率ν的變化規律如圖乙所示，則(　　)
A.要使該探測器正常工作，光源S發出的光波波長不能小于5.0×10-7 m
B.圖乙中圖像斜率的物理意義為普朗克常量h
C.觸發報警系統時鈉表面每秒釋放出的光電子數最少是N=6.25×1010個
D.通過調節光源發光的強度來調整光電煙霧探測器的靈敏度是可行的
微練54　能量量子化　光電效應
1.B　解析　普朗克的理論認為帶電微粒輻射或吸收能量時,是一份一份的,微觀粒子的能量是量子化的,是分立的,A、C、D三項正確,B項錯誤。
2.C　解析　用高頻短波紫外線燈持續照射鋅板,鋅板會發生光電效應,逸出光電子。由于鋅板原來帶負電,隨著帶負電的光電子逸出,鋅板所帶負電量減少,驗電器指針張開的角度θ逐漸變小。繼續照射,更多的光電子逸出后,鋅板開始帶上正電且電荷量增加,故驗電器指針張開的角度θ逐漸變大,即整個過程中驗電器指針張開的角度先變小后變大,C項正確。
3.D　解析　溫度越高,輻射強度的極大值向波長較短的方向移動,但黑體輻射的電磁波波長并不是越大,A、B兩項錯誤;一般物體的輻射強度除去與溫度有關外,還和物體的材料及表面狀態有關,但黑體的輻射強度按波長的分布只與黑體的溫度有關,C項錯誤;普朗克通過對黑體輻射的研究,提出了能量子的概念,D項正確。
4.A　解析　根據愛因斯坦光電效應方程可得Ek=hν-W,該金屬的逸出功為W=2.2 eV,光電子的最大初動能為1.1 eV,解得hν=3.3 eV,根據逸出功與截止頻率的關系可得W=hν0,解得=,A項正確。
5.C　解析　根據c=λν可知,真空中光速相等,波長大的頻率低,而光在介質中傳播速度變小,頻率與介質無關,即光在介質中傳播時頻率不變,則可知光的波長變短,A、D兩項錯誤,C項正確;根據E=hν可知,頻率大的光子能量大,DUV光源的波長大,頻率小,而EUV光源的波長短,頻率大,因此,DUV光源光子能量比EUV光源光子能量小,B項錯誤。
6.B　解析　只讓滑片P向D端移動,A、K間電壓增大,所加電壓為正向電壓,如果光電流達到飽和值,增加電壓,電流表示數也不會增大,A項錯誤;只增加單色光強度,逸出的光電子數增多,光電流增大,B項正確;陰極K的逸出功與入射光無關,C項錯誤;若改用波長大于λ0的單色光,能量減小,可能會發生光電效應,則電流表的示數不一定為零,D項錯誤。
7.C　解析　在距電燈10 m遠處,以電燈為球心的球面上,面積為S的區域t秒內通過的光子的能量為E=,一個光子的能量為ε=h,1 m2的面積每秒通過的光子(能量子)數約為n==≈2×1017,C項正確。
8.B　解析　根據光電效應方程可得Ekm=hν-W0=hν-hν0,由題圖可知金屬材料的極限頻率為a;根據題中圖像的斜率可知h=,解得逸出功為W0=hν0=b,B項正確。
9.B　解析　根據光電效應方程與遏止電壓的規律有Ekmax=hν-W,eUc=Ekmax,解得Uc=-,結合題圖乙有=a,=,解得ν=,B項正確。
10.A　解析　n=3激發態的氫原子向低能級躍遷時釋放的能量為E1=-1.51 eV-(-3.4 eV)=1.89 eV,E2=-3.4 eV-(-13.6 eV)=10.2 eV,E3=-1.51 eV-(-13.6 eV)=12.09 eV,可見光能量的范圍為1.64~3.19 eV,所以只有E1在可見光光子能量范圍內,A項正確;根據愛因斯坦光電效應方程Ekm=hν-W0,解得W0=hν-Ekm=2.55 eV,B項錯誤;根據題圖丙可知a光的遏止電壓小于b光的遏止電壓,根據hν=Ekm+W0,eUc=Ekm得a光子的能量小于b光子的能量,所以a光為氫原子從n=2能級躍遷到n=1能級時發出的光,C項錯誤;部分光線被遮擋,不改變光子的能量,則光電子飛出陰極時的最大初動能不變,D項錯誤。
11.C　解析　根據動能定理,從金屬板M上逸出的光電子到達金屬網N時,eU=Ekm-m,則到達金屬網N時的動能為Ekm=eU+m,與M、N間距離無關,與電子從金屬板中逸出的方向無關,A、B兩項錯誤;平行極板M射出的電子到達金屬網N時在y方向的位移最大,則電子從M到N過程中y方向最大位移為y=vmt,d=t2,解得y=vmd,C項正確;M、N間加反向電壓,電流表示數恰好為零時,則eUc=m,解得Uc=,D項錯誤。
12.CD　解析　根據題意可知金屬的截止頻率為νc=6×1014 Hz,則有λ== m=5.0×10-7m,所以光源S發出的光波波長不能大于5.0×10-7 m,A項錯誤;根據遏制電壓與光電子的最大初動能之間的關系,同時結合愛因斯坦的光電效應方程可得eUc=Ek=hν-hνc,整理得Uc=ν-νc,由此可得圖像的斜率為, B項錯誤;當光電流等于10-8 A時,根據電流的定義式可知每秒產生的光電子的個數為N== 個=6.25×1010個,C項正確;當光源S發出的光能使光電管發生光電效應,則光源越強,被煙霧散射進入光電管的光就越多,越容易探測到煙霧,也就是說光電煙霧探測器靈敏度越高,即通過調節光源發光的強度來調整光電煙霧探測器的靈敏度是可行的,D項正確。(共29張PPT)
微練54
能量量子化　光電效應
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1.關于“能量量子化”，下列說法錯誤的是(　　)
A.認為帶電微粒輻射或吸收能量時，是一份一份的
B.認為能量值是連續的
C.認為微觀粒子的能量是量子化的
D.認為微觀粒子的能量是分立的
梯級Ⅰ 基礎練
普朗克的理論認為帶電微粒輻射或吸收能量時，是一份一份的，微觀粒子的能量是量子化的，是分立的，A、C、D三項正確，B項錯誤。
解析
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2.(2025·河南模擬)觀察光電效應現象的演示實驗裝置如圖所示，把一塊鋅板連接在驗電器上，并使鋅板帶上一定量的負電，驗電器指針會張開角度θ。現用高頻短波紫外線燈持續照射鋅板一定時間，可能觀察到驗電器指針張開的角度θ的變化是(　　)
A.會一直變大
B.先變大后變小
C.先變小后變大
D.忽大忽小不斷變化
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用高頻短波紫外線燈持續照射鋅板，鋅板會發生光電效應，逸出光電子。由于鋅板原來帶負電，隨著帶負電的光電子逸出，鋅板所帶負電量減少，驗電器指針張開的角度θ逐漸變小。繼續照射，更多的光電子逸出后，鋅板開始帶上正電且電荷量增加，故驗電器指針張開的角度θ逐漸變大，即整個過程中驗電器指針張開的角度先變小后變大，C項正確。
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3.(2025·徐州模擬)如圖所示是黑體的輻射強度與其輻射波長的關系圖像，下列說法正確的是(　　)
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A.溫度越高，黑體輻射的電磁波的波長越大
B.溫度越高，輻射強度的極大值向波長較長的方向移動
C.黑體的輻射強度按波長的分布與材料的表面狀況有關
D.普朗克通過對黑體輻射的研究，提出了能量子的概念
溫度越高，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，但黑體輻射的電磁波波長并不是越大，A、B兩項錯誤；一般物體的輻射強度除去與溫度有關外，還和物體的材料及表面狀態有關，但黑體的輻射強度按波長的分布只與黑體的溫度有關，C項錯誤；普朗克通過對黑體輻射的研究，提出了能量子的概念，D項正確。
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4.已知元電荷e=1.6×10-19 C，普朗克常量h=6.6×10-34 J·s，用單色光照射逸出功為W=2.2 eV的某金屬時，逸出光電子的最大初動能為1.1 eV，則單色光的頻率ν與金屬的截止頻率ν0的比值為(　　)
A.= B.=
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根據愛因斯坦光電效應方程可得Ek=hν-W，該金屬的逸出功為W=2.2 eV，光電子的最大初動能為1.1 eV，解得hν=3.3 eV，根據逸出功與截止頻率的關系可得W=hν0，解得=，A項正確。
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5.(2025·周口模擬)目前的高端光刻機主要分為EUV光刻機和DUV光刻機。DUV(波長193 nm)是深紫外線，EUV(波長13.5 nm)是極深紫外線。沉浸式光刻機在透鏡組和硅片之間充有液體，已知光在真空中傳播速度大于在介質中傳播速度。關于光刻機物理量的比較，下列說法正確的是(　　)
A.真空中DUV光源光子頻率比EUV光源光子頻率大
B.DUV光源光子能量比EUV光源光子能量大
C.沉浸式光刻機光在液體中波長比在真空中短
D.沉浸式光刻機光在液體中頻率比在真空中大
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根據c=λν可知，真空中光速相等，波長大的頻率低，而光在介質中傳播速度變小，頻率與介質無關，即光在介質中傳播時頻率不變，則可知光的波長變短，A、D兩項錯誤，C項正確；根據E=hν可知，頻率大的光子能量大，DUV光源的波長大，頻率小，而EUV光源的波長短，頻率大，因此，DUV光源光子能量比EUV光源光子能量小，B項錯誤。
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6.(2025·長沙模擬)如圖所示為研究光電效應的電路圖。開關閉合 后，當用波長為λ0的單色光照射光電管的陰極K時，電流表有示數。下列說法正確的是(　　)
A.若只讓滑片P向D端移動，則電流表的示數一定增大
B.若只增加該單色光的強度，則電流表示數一定增大
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C.若改用波長小于λ0的單色光照射光電管的陰極K，則陰極K的逸出功變大
D.若改用波長大于λ0的單色光照射光電管的陰極K，則電流表的示數一定為零
只讓滑片P向D端移動，A、K間電壓增大，所加電壓為正向電 壓，如果光電流達到飽和值，增加電壓，電流表示數也不會增 大，A項錯誤；只增加單色光強度，逸出的光電子數增多，光電流增大，B項正確；陰極K的逸出功與入射光無關，C項錯誤；若改用波長大于λ0的單色光，能量減小，可能會發生光電效應，則電流表的示數不一定為零，D項錯誤。
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7.(2025·西安模擬)一盞燈發光功率為100 W，假設它發出的光向四周均勻輻射，光的平均波長6.0×10-7 m，在距電燈10 m遠處，以電燈為球心的球面上，1 m2的面積每秒通過的光子(能量子)數約為(普朗克常量h=6.63×10-34 J·s，光速c=3.0×108 m/s)(　　)
A.2×1015個 B.2×1016個
C.2×1017個 D.2×1023個
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在距電燈10 m遠處，以電燈為球心的球面上，面積為S的區域t秒內通過的光子的能量為E=，一個光子的能量為ε=h，1 m2的面積每秒通過的光子(能量子)數約為n==≈2×1017，C項正確。
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8.(2025·安順模擬)愛因斯坦提出了光子概念并成功地解釋了光電效應的規律而獲得1921年的諾貝爾物理學獎。某種金屬逸出光電子的最大初動能Ekm與入射光頻率ν的關系如圖所示，金屬材料的極限頻率和逸出功分別為(　　)

A.，b　　 B.a，b C.a，　　 D.
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根據光電效應方程可得Ekm=hν-W0=hν-hν0，由題圖可知金屬材料的極限頻率為a；根據題中圖像的斜率可知h=，解得逸出功為W0=hν0=b，B項正確。
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9.(2025·濟南模擬)圖甲所示裝置用以測量發生光電效應時的遏止電壓。用同一入射光依次照射不同金屬材料的K極，發生光電效應時分別測得對應的遏止電壓，圖乙為所測遏止電壓Uc與金屬材料逸出功W的關系。已知普朗克常量為h，則入射光的頻率為(　　)
A. B.
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梯級Ⅱ 能力練
根據光電效應方程與遏止電壓的規律有Ekmax=hν-W，eUc=Ekmax，解得Uc=-，結合題圖乙有=a，=，解得ν=，B項正確。
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10.地鐵靠站時列車車體和屏蔽門之間安裝有光電傳感器。如圖甲所示，若光線被乘客阻擋，電流發生變化，工作電路立即報警。如圖乙所示，光線發射器內大量處于n=3激發態的氫原子向低能級躍遷 時，輻射出的光中只有a、b兩種可以使該光電管陰極逸出光電子，如圖丙所示為a、b光單獨照射光電管時產生的光電流I與光電管兩端電壓U的關系圖線。測得飛出陰極的光電子最大初動能為9.54 eV，可見光能量范圍為1.64~3.19 eV。下列說法正確的是(　　)
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A.光線發射器中發出的光有1種為可見光
B.光電管陰極材料的逸出功為0.66 eV
C.題述a光為氫原子從n=3能級躍遷到n=2能級時發出的光
D.若部分光線被遮擋，光電子飛出陰極時的最大初動能變小
n=3激發態的氫原子向低能級躍遷時釋放的能量為E1=-1.51 eV- (-3.4 eV)=1.89 eV，E2=-3.4 eV-(-13.6 eV)=10.2 eV，E3=-1.51 eV- (-13.6 eV)=12.09 eV，可見光能量的范圍為1.64~3.19 eV，所以只有E1在可見光光子能量范圍內，A項正確；根據愛因斯坦光電效應方程Ekm=hν-W0，解得W0=hν-Ekm=2.55 eV，B項錯誤；根據題圖丙可知a光的遏止電壓小于b光的遏止電壓，根據hν=Ekm+W0，eUc=Ekm得a光子的能量小于b光子的能量，所以a光為氫原子從n=2能級躍遷到n=1能級時發出的光，C項錯誤；部分光線被遮擋，不改變光子的能量，則光電子飛出陰極時的最大初動能不變，D項錯誤。
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11.(2024·浙江卷)如圖所示，金屬極板M受到紫外線照射會逸出光電子，最大速率為vm。正對M放置一金屬網N，在M、N之間加恒定電壓U。已知M、N間距為d(遠小于板長)，電子的質量為m，電荷量為 e，則(　　)
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A.M、N間距離增大時電子到達N的動能也增大
B.只有沿x方向逸出的電子到達N時才有最大動能m+eU
C.電子從M到N過程中y方向位移大小最大為vmd
D.M、N間加反向電壓時電流表示數恰好為零
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根據動能定理，從金屬板M上逸出的光電子到達金屬網N時，eU=Ekm-m，則到達金屬網N時的動能為Ekm=eU+m，與 M、N間距離無關，與電子從金屬板中逸出的方向無關，A、B兩項錯誤；平行極板M射出的電子到達金屬網N時在y方向的位移最大，則電子從M到N過程中y方向最大位移為y=vmt，d=t2，解得y=vmd，C項正確；M、N間加反向電壓，電流表示數恰好為零時，則eUc=m，解得Uc=，D項錯誤。
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12.(多選)(2025·舟山模擬)如圖甲所示是一款光電煙霧探測器的原理圖。當有煙霧進入時，來自光源S的光被煙霧散射后進入光電管C，光射到光電管中的鈉表面時會產生光電流。如果產生的光電流大于10-8 A，便會觸發報警系統。金屬鈉的遏止電壓Uc隨入射光頻率ν的變化規律如圖乙所示，則(　　)
梯級Ⅲ 創新練
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A.要使該探測器正常工作，光源S發出的光波波長不能小于5.0×10-7 m
B.圖乙中圖像斜率的物理意義為普朗克常量h
C.觸發報警系統時鈉表面每秒釋放出的光電子數最少是N=6.25×1010個
D.通過調節光源發光的強度來調整光電煙霧探測器的靈敏度是可行的
根據題意可知金屬的截止頻率為νc=6×1014 Hz，則有λ== m=5.0×10-7m，所以光源S發出的光波波長不能大于5.0×10-7 m，A項錯誤；根據遏制電壓與光電子的最大初動能之間的關系，同時結合愛因斯坦的光電效應方程可得eUc=Ek=hν-hνc，整理得Uc=ν-νc，由此可得圖像的斜率為， B項錯誤；當光電流等于10-8 A時，根據電流的定義式可知每秒產生的光電子的個數為
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N== 個=6.25×1010個，C項正確；當光源S發出的光能使光電管發生光電效應，則光源越強，被煙霧散射進入光電管的光就越多，越容易探測到煙霧，也就是說光電煙霧探測器靈敏度越高，即通過調節光源發光的強度來調整光電煙霧探測器的靈敏度是可行的，D項正確。
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